网络知识 娱乐 CAN通讯原理简介(一)

CAN通讯原理简介(一)

目录

1、CAN通讯概述

2、CAN通讯特点

3、CAN通讯的差分信号

4、CAN通讯的数据帧介绍


1、CAN通讯概述

        CAN 是 Controller Area Network 的缩写(以下称为 CAN),是 ISO 国际标准化的串行通信
协议。在当前的汽车产业中,出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求,各种
各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求
不尽相同,由多条总线构成的情况很多,线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、
“通过多个 LAN,进行大量数据的高速通信”的需要, 1986 年德国电气商博世公司开发出面
向汽车的 CAN 通信协议。此后, CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化,现在在欧
洲已是汽车网络的标准协议。
现在, CAN 的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设
备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的
计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有
力的技术支持。

2、CAN通讯特点

        CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平,
二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化,将消息发送给接收方。
CAN 协议具有一下特点:
1) 多主控制。 在总线空闲时,所有单元都可以发送消息(多主控制), 而两个以上的单元
同时开始发送消息时,根据标识符( Identifier 以下称为 ID)决定优先级。 ID 并不是
表示发送的目的地址,而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始
发送消息时,对各消息 ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜(被判定为优先级
最高)的单元可继续发送消息,仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。
2) 系统的柔软性。 与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单
元时,连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。
3) 通信速度较快,通信距离远。 最高 1Mbps(距离小于 40M),最远可达 10KM(速率低
于 5Kbps)。
4) 具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。 所有单元都可以检测错误(错误检测功能),
检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元(错误通知功能),正在发送消息的单
元一旦检测出错误,会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新
发送此消息直到成功发送为止(错误恢复功能)。
5) 故障封闭功能。CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误(如外部噪声等)
还是持续的数据错误(如单元内部故障、驱动器故障、断线等)。由此功能,当总线上
发生持续数据错误时,可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
6) 连接节点多。 CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没
有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通
信速度,可连接的单元数增加;提高通信速度,则可连接的单元数减少。
        正是因为 CAN 协议的这些特点,使得 CAN 特别适合工业过程监控设备的互连,因此,越
来越受到工业界的重视,并已公认为最有前途的现场总线之一。
        CAN 协议经过 ISO 标准化后有两个标准:ISO11898标准和 ISO11519-2 标准。其中 ISO11898是针对通信速率为 125Kbps~1Mbps 的高速通信标准,而 ISO11519-2 是针对通信速率为 125Kbps以下的低速通信标准。

3、CAN通讯的差分信号

        当逻辑"0"(显性电平),CAN_High和CAN_Low的压差2.5v;当逻辑"1"(隐性电平),CAN_High和CAN_Low的压差0v。

        在CAN总线中,在同一时间,只要由输出显性电平,总线处于显性电平状态。类似I2c总线的“线与”特性。

        由于 CAN 总线协议的物理层只有 1 对差分线,在一个时刻只能表示一个信号 ,所以对通讯节点来说, CAN 通讯是半双工 的,收发数据需要分时进行。在 CAN 的通讯网络中,因为共用总线,在整个网络中同一时刻只能有一个通讯节点发送信号,其余的节点在该时刻都只能接收。

        如果使用 500Kbps 的通信速率,使用的是 ISO11898 标准,该标准的物理层特
征如图

                                                      图1 ISO11898 物理层特性

从该特性可以看出, 显性电平对应逻辑 0, CAN_H 和 CAN_L 之差为 2.5V 左右。而隐性
电平对应逻辑 1, CAN_H 和 CAN_L 之差为 0V。 在总线上显性电平具有优先权,只要有一个
单元输出显性电平,总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味,只有所有的单元都
输出隐性电平,总线上才为隐性电平(显性电平比隐性电平更强)。另外, 在 CAN 总线的起止
端都有一个 120Ω的终端电阻,来做阻抗匹配,以减少回波反射。
CAN 协议是通过以下 5 种类型的帧进行的:
⚫ 数据帧
⚫ 遥控帧
⚫ 错误帧
⚫ 过载帧
⚫ 间隔帧
另外,数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 个位的标识符(ID),
扩展格式有 29 个位的 ID。各种帧的用途如表 30.1.1 所示:

帧类型帧用途
数据帧用于发送单元向接收单元传送数据的帧
遥控帧用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧
错误帧用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧
过载帧用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

                                       表 1 CAN 协议各种帧及其用途

4、CAN通讯的数据帧介绍


数据帧一般由 7 个段构成,即:
(1) 帧起始。表示数据帧开始的段。
(2) 仲裁段。表示该帧优先级的段。
(3) 控制段。表示数据的字节数及保留位的段。
(4) 数据段。数据的内容,一帧可发送 0~8 个字节的数据。
(5) CRC 段。检查帧的传输错误的段。
(6) ACK 段。表示确认正常接收的段。
( 7) 帧结束。表示数据帧结束的段

                                                  图2 数据帧的构成

 图中 D 表示显性电平, R 表示隐形电平(下同)。
帧起始,这个比较简单, 标准帧和扩展帧都是由 1 个位的显性电平表示帧起始。
仲裁段,表示数据优先级的段,标准帧和扩展帧格式在本段有所区别

                                                        图3 数据帧仲裁段构成 

标准格式的 ID 有 11 个位。从 ID28 到 ID18 被依次发送。禁止高 7 位都为隐性(禁止设
定: ID=1111111XXXX)。扩展格式的 ID 有 29 个位。基本 ID 从 ID28 到 ID18,扩展 ID 由
ID17 到 ID0 表示。基本 ID 和标准格式的 ID 相同。禁止高 7 位都为隐性(禁止设定:基本
ID=1111111XXXX)。
其中 RTR 位用于标识是否是远程帧( 0,数据帧; 1,远程帧), IDE 位为标识符选择位( 0,
使用标准标识符; 1,使用扩展标识符), SRR 位为代替远程请求位,为隐性位,它代替了标准
帧中的 RTR 位。
控制段,由 6 个位构成,表示数据段的字节数。标准帧和扩展帧的控制段稍有不同
 

                                                        图4 数据帧控制段构成 

上图中, r0 和 r1 为保留位,必须全部以显性电平发送,但是接收端可以接收显性、隐性及
任意组合的电平。 DLC 段为数据长度表示段,高位在前, DLC 段有效值为 0~8,但是接收方接
收到 9~15 的时候并不认为是错误。
数据段,该段可包含 0~8 个字节的数据。从最高位( MSB)开始输出,标准帧和扩展帧在
这个段的定义都是一样的。
 

                                                        图5 数据帧数据段构成 

CRC 段,该段用于检查帧传输错误。 由 15 个位的 CRC 顺序和 1 个位的 CRC 界定符(用
于分隔的位)组成,标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。
                                                        图6 数据帧CRC段构成 

此段 CRC 的值计算范围包括: 帧起始、仲裁段、控制段、数据段。接收方以同样的算法计
算 CRC 值并进行比较,不一致时会通报错误。
ACK 段,此段用来确认是否正常接收。由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 个位组成。
标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。

                                               图7 数据帧CRC段构成 

发送单元的 ACK,发送 2 个位的隐性位,而接收到正确消息的单元在 ACK 槽(ACK Slot)
发送显性位,通知发送单元正常接收结束,这个过程叫发送 ACK/返回 ACK。发送 ACK 的是
在既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中,接收到正常消息的单元(发送单元
不发送 ACK)。所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误的消息。
帧结束,这个段也比较简单,标准帧和扩展帧在这个段格式一样,由 7 个位的隐性位组成。
至此,数据帧的 7 个段就介绍完了,其他帧的介绍,请大家参考光盘的 CAN 入门书.pdf
相关章节。 接下来,我们再来看看 CAN 的位时序。
由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位可分为 4 段。
⚫ 同步段(SS)
⚫ 传播时间段(PTS)
⚫ 相位缓冲段 1(PBS1)
⚫ 相位缓冲段 2(PBS2)
这些段又由可称为 Time Quantum(以下称为 Tq)的最小时间单位构成。
1 位分为 4 个段,每个段又由若干个 Tq 构成,这称为位时序。
1 位由多少个 Tq 构成、每个段又由多少个 Tq 构成等,可以任意设定位时序。通过设定
位时序,多个单元可同时采样,也可任意设定采样点。各段的作用和 Tq 数

                                                        图8  一个位各段及其作用

                                         图9  一个位的构成

上图的采样点,是指读取总线电平,并将读到的电平作为位值的点。位置在 PBS1 结束处。
根据这个位时序,我们就可以计算 CAN 通信的波特率了。具体计算方法,我们等下再介绍,
前面提到的 CAN 协议具有仲裁功能,下面我们来看看是如何实现的。
在总线空闲态,最先开始发送消息的单元获得发送权。
当多个单元同时开始发送时,各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性
电平最多的单元可继续发送。实现过程

                                        图10 CAN 总线仲裁过程

上图中,单元 1 和单元 2 同时开始向总线发送数据,开始部分他们的数据格式是一样的,
故无法区分优先级,直到 T 时刻,单元 1 输出隐性电平,而单元 2 输出显性电平,此时单元 1
仲裁失利,立刻转入接收状态工作,不再与单元 2 竞争,而单元 2 则顺利获得总线使用权,继
续发送自己的数据。这就实现了仲裁,让连续发送显性电平多的单元获得总线使用权。

注:本文来源主要是正点原子stm32中对CAN通讯的相关介绍,若想了解更多可去搜索相关资料